Riassunti Bioprocessi

Metodi di lisi cellulare e separazione

LISI CON DETERGENTI: il trattamento con soluzioni contenenti detergenti diluiti può provocare il danneggiamento delle membrane, interagendo con le porzioni lipidiche e permettendo il rilascio del metabolita.

LISI CON ENZIMI: gli enzimi sono in grado di danneggiare la parete cellulare e di permettere il rilascio del contenuto.

METODI PIÙ DRASTICI:

• SONICAZIONE: gli ultrasuoni possono lisare le cellule.
• MORTAI e PESTELLI: metodo da laboratorio eseguito con materiale congelato.

Successivamente dopo queste tecniche si procede con la separazione fisica attraverso la:

• CENTRIFUGAZIONE: metodo di separazione dei componenti di una sospensione mediante l'effetto di una forza centrifuga. Permette il recupero della biomassa dai fermentatori e la separazione dei corpuscoli solidi dopo le operazioni di lisi o altre operazioni di separazione di una sospensione, in cui si ha una fase solida e una liquida, oppure di una soluzione in cui le due fasi sono liquide.
• FILTRAZIONE
• CROMATOGRAFIA

fasi sonoliquide ma caratterizzate da una differente densità.

FILTRAZIONE: separazione di particelle mediante un setto con una permeabilità selettiva (alcune particelle saranno in grado di attraversarlo, altre no).

CROMATOGRAFIA: tecnica di separazione in cui ogni componente di una miscela si ripartisce in modo differente tra due fasi contemporaneamente presenti e fra loro immiscibili. Le due fasi, in base alla loro natura, sono definite come: fase stazionaria, che rimane statica, e fase mobile che si muove attraverso la fase stazionaria. I componenti, trascinati dalla fase mobile, si ripartiscono tra questa e la fase stazionaria, permettendo così la loro separazione.

2 CAPITOLO

M.O COME FONTE PROTEICA

Il MO da utilizzare deve essere: non patogeno, stabile, elevata velocità di crescita, contenuto in proteina e acidi nucleici, trattamento finale delle biomasse

BIOMASSE MICROBICHE

Le biomasse microbiche sono un insieme di organismi vegetali o animali presenti in una determinata quantità.

insieme formano una comunitàriproduttiva. Costituiti da carboidrati, proteine e grassi.

Le biomasse microbiche trovano applicazione:

• per il loro contenuto: come fonte proteica non convenzionale (inalimentazione umana e animale) e per l’estrazione di metaboliti particolari(lipidi, enzimi, acidi nucleici, vitamine, ecc.);
• per la loro attività: su substrati complessi (lievito per panificazione, colturestarter nel settore alimentare, colture insetticidi, ecc.). I MO entrano nellacatena alimentare (formaggi, funghi, lievito, alghe).

L’utilizzo delle biomasse microbiche presenta, in alcuni casi, limitazionid’impiego:

• Contenuto in acidi nucleici, che presenta ampia variabilità, nell’ambito deidiversi gruppi microbici. Gli acidi nucleici potrebbero creare problemi a livellometabolico nell’uomo e negli animali;
• Presenza di sostanze tossiche o cancerogene, che residuano dalsubstrato;
• Digeribilità, che in alcuni casi è limitata.

• Le biomasse da batteri presentano alcune caratteristiche come la crescita rapida e la scelta illimitata dei ceppi. Hanno un pH di sviluppo compreso tra 5 e 7 e un buon profilo aminoacidico. Un esempio di processo è il BIOPROTEIN-PRONIN, che utilizza il Metilococcus capsulatus come substrato, il metano come condizione e produce una biomassa ad alto contenuto proteico. Attualmente viene impiegato solo per l'alimentazione animale, ad esempio per i salmoni.
• Le biomasse da lieviti sono raramente patogene e hanno una velocità di crescita elevata. Un esempio di processo è il SYMBA, che utilizza il Saccaromicopsis e il Candida utilis come substrato, e recupera la biomassa tramite centrifugazione ed essiccamento. Viene impiegato principalmente per l'alimentazione animale, ad esempio utilizzando i residui delle lavorazioni delle patate.
• Le biomasse da muffe sono raramente tossiche e hanno una crescita lenta. Un esempio di processo è il QUORN, che utilizza il Fusarium come substrato e ha un pH di 7. Viene impiegato per l'uso umano come sostituto delle proteine della carne ed è molto diffuso. Le proteine del fungo vengono mescolate con altri ingredienti per creare prodotti alimentari.

Aromi e con albume, e alprodotto viene data una prima forma. In seguito il prodotto viene vaporizzato epoi raffredato. Poi si da la forma finale e si procede al surgelamento.

SINGLE CELL PROTEIN (SCP)

Biomasse microbiche ad elevato contenuto proteico. Possono contribuire allarisoluzione di problemi legati alla carenza delle proteine.

Uno degli esempi di SCP da alghe studiate come fonte alimentare è la: SPIRULINA.

SPIRULINA

La spirulina è la miglior fonte di proteine vegetali, con un contenutoproteico pari al 65%, più elevato di qualsiasi altro alimento naturale.

La Spirulina: (Arthrospira platensis Arthrospira maxima)

• è un cianobatterio fotosintetico
• può essere coltivata in fotobioreattori e vasche
• può raddoppiare la propria biomassa ogni 2-5 gg
• è caratterizzata dalla struttura a spirale, che non dirama mai.

La spirulina in particolare ha:

• una quantità di calcio presente superiore a quella contenuta nel latte di circa 8 volte
• 34

volte più ferro degli spinaci. Principalmente è ricca di ferro organico caratterizzato da alta biodisponibilità. Secondo numerosi studi, per tipologia e quantità, il ferro della spirulina è in grado di competere con il ferro contenuto nella carne;- più di tre volte le proteine presenti nella stessa quantità di fagioli;- contiene circa più di 20 volte il betacarotene presente nelle carote;- vitamine quali tocoferolo, Β-carotene, inositolo ed alcune vitamine del gruppo B;- discreto contenuto di minerali, tra i quali non rientra però lo iodio, elemento che abbonda soprattutto nelle alghe marine. FOTOBIOREATTORI Sono impianti di coltivazione e produzione di m.o foto sintetici che impiegano il sistema BIOPLANTEC molto efficace per la coltivazione delle microalghe fotosintetiche quali spirulina. L’impianto è realizzato in modo da permettere la coltivazione e il raggiungimento di alte concentrazioni di m.o attraverso l’uso di

Tecnologie per il controllo dell'illuminazione, T e pH. Si possono fare cicli di luce, buio per l'effetto dei fotoperiodi. Luce e Carbonio inorganico rappresentano i principali fattori di crescita di m.o fotosintetici.

BIOMASSE PARTICOLARI: colture insetticide da Bacillus thuringiensis

L'uso dei pesticidi per controllare gli insetti indesiderati/nocivi si è largamente diffuso negli ultimi quarant'anni. Si riteneva che con il tempo, in relazione alla quasi infinita varietà di mo, tutti i composti organici, compresi quelli di sintesi non presenti in natura, potessero essere biodegradati. Con lo sviluppo dei pesticidi sintetici è apparso evidente che non tutti i composti organici sono biodegradabili, con conseguente accumulo nell'ambiente.

L'impiego indiscriminato di pesticidi, nel settore agrario, oltre a presentare rischi non più sottovalutabili per la salute umana, può modificare in misura significativa i già precari

intermedi del metabolismo secondario aerobio. Ottenibili da fermentazionidi zuccheri: ACIDO LATTICO, acido acetico, acido propionico, acido butirrico,acido valerico, acido caproico, acido caprilico, acido laurico, acido miristico,acido palmitico, acido stearico, acido oleico, acido linoleico, acido linolenico,acido arachidonico, acido eicosapentaenoico, acido docosaesaenoico, acidoalfa-linolenico, acido gamma-linolenico, acido dihomo-gamma-linolenico,acido arachidonico, acido eicosapentaenoico, acido docosaesaenoico, acidoalfa-linolenico, acido gamma-linolenico, acido dihomo-gamma-linolenico,acido arachidonico, acido eicosapentaenoico, acido docosaesaenoico, acidoalfa-linolenico, acido gamma-linolenico, acido dihomo-gamma-linolenico,acido arachidonico, acido eicosapentaenoico, acido docosaesaenoico, acidoalfa-linolenico, acido gamma-linolenico, acido dihomo-gamma-linolenico,acido arachidonico, acido eicosapentaenoico, acido docosaesaenoico, acidoalfa-linolenico, acido gamma-linolenico, acido dihomo-gamma-linolenico,acido 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acidoalfa-linolenico, acido gamma-linolenico, acido dihomo-gamma-linolenico,acido arachidonico, acido eicosapentaenoottenibili per biotrasformazione sono ad esempio: ACIDOGLUCONICO prodotto per ossidazione diretta del glucosio. Acidi organici ottenibili dal metabolismo anaerobio sono:
- Prodotti finali del metabolismo anaerobico, di vera fermentazione. A questa classe appartengono l'ACIDO LATTICO, PROPIONICO, BUTTIRRICO e ACETICO. Per questi acidi grassi si ha sviluppo del microrganismo con una fermentazione del metabolita.
ACIDO CITRICO
- Il 99% della produzione mondiale è ottenuta per via microbiologica.
- In genere per la sua produzione si sfrutta l'attività di alcune muffe, quali l'Aspergillus niger e l'Aspergillus wentii.
- Si ottengono buone produzioni usando come materie prime sciroppi di melasse (da barbabietole o da canna), o altre fonti zuccherine quali glucosio, fruttosio o idrolizzati d'amido.
- Fino all'80-90% dello zucchero è trasformato in acido citrico.
- L'acido citrico è prodotto metabolicamente in condizioni aerobie nel

Il ciclo di Krebs rappresenta uno degli intermedi delle 8 reazioni del ciclo. L'acido citrico è trasformato in isocitrico dall'enzima aconitasi. Questa trasformazione è influenzata dalla concentrazione di alcuni ioni metallici, specialmente di Fe2+, che è coinvolto nel meccanismo dell'aconitasi. In assenza di ferro si verifica il blocco del ciclo di Krebs a livello della formazione dell'acido citrico, generandone così un accumulo.

Omofermentanti obbligati: fermentano gli zuccheri producendo esclusivamente acido lattico; producono, a pari velocità di fermentazione, una quantità di acido superiore a quella delle specie eterofermentanti e quindi comportano un forte abbassamento del pH.

Eterofermentanti facoltativi: fermentano gli zuccheri seguendo quasi esclusivamente la via omofermentante. Ma se i carboidrati scarseggiano, un corredo di enzimi inducibili permette loro di realizzare l'eterofermentazione.

Eterofermentanti

obbligati: fermentano i carboidrati producendo etanolo, altri acidi organici (tracce di ac. lattico).

ACIDO LATTICO

I sali dell'ac. lattico sono usati come additivi dall'industria alimentare.

Come acidificante alimentare l'acido lattico ha un sapore meno marcato rispetto ad altri additivi, è non volatile e senza odore e viene catalogato come acido di uso generale dalla FDA (Food and Drug Administration).

Viene utilizzato come conservante, acidificante, aroma, tampone pH e antibatterico in numerose applicazioni e processi alimentari, come ad esempio la produzione di dolci, pane e pasticceria, bibite, salse, sorbetti, prodotti casalinghi, ecc.